黑洞不只是吸收

如果我们的眼睛可以在射电或者X射线波段观察天空，就会看到一些星系被巨大的气球或等离子体波瓣包裹。这些等离子体中含有运动速度接近光速的带电粒子，发出一定波长范围内的辐射。其中一些星系(比如“活动星系”)所表现出的等离子波瓣是由喷流所产生的，它们是从黑洞事件视界周围喷出来的，运动速度快到可以与光速相提并论。罗杰·彭罗斯概括性地指出：理论上，从黑洞的能层中提取自转能量是可能的。罗杰·布兰福德(Roger Blandford)和罗曼·扎纳克(Roman Znajek)明确提出了将旋转黑洞中存储的能量转移到电场和磁场中的方法，从而为产生相对论性等离子体喷流提供动力。从黑洞附近发出喷流的机制也有其他解释，这些解释中哪个才是正确的，正是当前活跃且令人兴奋的研究主题。

最终无论哪种机制被证实，这些喷流都是从黑洞附近(当然是在事件视界外)喷出的高度聚焦且准直的射流。实际上，星系之间的区域并不是真空。与此相反，其中弥散着非常稀薄的被称为星际介质的气体。当喷流撞击星际介质时会形成激波，其内部会发生壮观的粒子加速，而被黑洞附近喷流所激发的等离子体，其内部也会发生极其剧烈的运动，从而流出当前的激流区域。随着等离子体膨胀，它会向星际介质传输大量能量。这些等离子喷流中，有许多会延伸至数百万光年外。因此，黑洞对超过事件视界很多光年的宇宙依然有着巨大影响。在本章中，我将描述黑洞对其周围环境的影响以及与周围环境的相互作用。

如第6章所述，在大多数星系的中心(可能)有一个黑洞，物质会被其吸积，从而产生电磁辐射。这样的星系被称为活动星系。它们其中一些的吸积过程非常有效，产生的辐射光度极高。这样的星系被称为类星体(这个词源于它们最初被识别为“类似恒星的射电源”，因为它们是遥远的亮度很高的射电点光源)。我们现在知道，类星体是宇宙中已知的最强大的持续能量释放场所。类星体辐射的能量跨越整个电磁频谱，从长波射电波到光学(可见光)波段，再到X射线并继续向后。上面提到的射电瓣之所以特别引人注目，是因为它们跨越了数十万光年(见图19)。射电波段辐射的能量来自那些巨大的波瓣——也就是存有超热的磁化等离子体的地方，其能量是由空间上长距离传输能量的喷流所提供的。高能电子(此处高能是指其传播速度非常接近光速)在行经等离子体波瓣时会受到来自遍布其中的磁场所施加的垂直于运动方向的力。这种加速使它们发出被称为同步辐射的光子(可能是射电的，也可能是红外的；或者在极短的波长下高能的情况，也可能是X射线)。

图19　一个巨大类星体的射电图像。它的范围超过100光年

要了解类星体产生的功率的规模，我们来考虑以下几个典型情况。我用于工作的LED灯，输出功率是10瓦。它们由输出功率高达数十亿瓦的本地发电站提供的电能所点亮(10亿瓦等于109瓦或1吉瓦)。太阳的输出功率约为4×1026瓦，是这个发电站功率的10亿亿倍。我们所在的星系，也就是银河系包含超过1000亿颗恒星，其输出功率接近1037瓦。但是类星体产生的功率甚至可以比银河系的输出功率高100倍以上。请记住，这个功率不是由一个星系或1000亿颗恒星发出的，而是由单个黑洞周围的能量所产生的。这样的辐射可能会对地球上生物的健康造成极大损害，因此可以说我们非常幸运，因为在距离银河系很近的地方没有这样强大的类星体!

人们认为类星体中的喷流可以持续10亿年或更短时间，这个判断来自对这些物体喷流的成长速度的估计，以及对它们长大后的尺寸的测量。因此根据距离、时间和速度之间的简单关系，可以为整个宇宙中类星体中可能观测到的喷流活动的持续时间提供参考。

随着这些射电波瓣的扩张，它们的磁场会减弱，波瓣中各个电子的“内部”能量也随之减弱。这两种效应会让辐射强度随着时间的推移和到黑洞距离的增加而减小，强度下降的幅度取决于其中高能电子与低能电子的相对数量。同步辐射的一个特性是，磁场强度越弱，所需的产生射电望远镜可接收长波的辐射的电子能量就越高。所以当等离子体波瓣扩展到外部空间时，同步辐射也随之减弱。不仅电子会随着等离子体的膨胀损失能量，随着磁场强度的减弱，与被望远镜观测到的现象有关的，只有那些和高能量电子相关的现象，而且通常情况下，这些电子的数量要远少于低能电子。就类星体的射电波瓣而言，光可以在很短时间内就熄灭。

不过，这场表演还远没有结束，只是奇观转移到了另一个波段。一些非比寻常的事情正在发生：波瓣会在X射线波段上亮起来。这是通过被称为“逆康普顿散射”的过程发生的。当存在足够大的磁场时，电子会发出同步辐射，从而失去能量。而我们在此处讨论的另一种能量损失机制，则是通过这些电子与构成宇宙微波背景辐射(CMB)的光子相互作用发生的，这些光子源于大爆炸残留的辐射，宇宙目前正沐浴在这种凉爽的微波辉光中。这些电子可能会与CMB中的光子发生碰撞，光子从中获得比碰撞前高得多的能量，电子则相反(要记住整体的能量是守恒的)。特别令人感兴趣的是，当快速运动的电子能量减少到静止电子能量的1000倍时(此前是静止电子能量的成百上千倍)，恰好可以将CMB光子散射为X射线光子。高能电子与低能光子通过相互作用产生高能光子。这在某种程度上类似斯诺克中的情况，白色母球(想象这是一个电子)与某个红色的斯诺克球发生碰撞(为了便于说明，请忽略球并没有以光速运动)，而红色的球从母球那里获得了大量能量。尽管(希望如此)红球最终会落在台球桌上的一个球袋中，但光子(原本的波长约为1毫米)获得的能量是碰撞前的100万倍，因此它的波长也缩短了100万倍。

NASA于1999年发射的钱德拉(Chandra)卫星对X射线波段很敏感，并且能够在X射线波段探测到一对哑铃形的波瓣，就像射电望远镜可以在厘米波段探测到这些双瓣结构一样。图20和21显示了在射电波段观察到的双瓣结构的等高线图和在X射线波段探测到的双瓣结构的灰度图。

图20　这个巨大的类星体的范围达到了50万光年，并且在电(以等高线显示)和X射线(以灰度显示)波段都具有双瓣结构

图21　该类星体在射电波段(等高线图)上观测到的双瓣结构显示出近期的活动与在X射线能量(灰度，CMB光子的逆康普顿散射所揭示的遗迹的辐射)下观测到的双瓣结构的方向不同，这表明喷流轴可能像微型类星体的喷流轴一样发生进动

实际上，如果我们能够监测这些类星体在整个演化阶段的生命周期(这与生物学家观察青蛙的生命周期类似，从蛙卵到蝌蚪，再到带有很小的腿的蝌蚪，到尾巴粗短的小青蛙，最后到大青蛙和死青蛙)，我们将观察到双重结构辐射从射电波段逐渐变为X射线波段。首先，射电结构会逐渐消失，直到无法探测到，然后X射线结构也将逐渐消失，直至无法探测到。当然，如果喷流重新开始——例如黑洞获得了更多的燃料，那么喷流将为新的发射射电波的双瓣提供燃料，然后再为发射X射线的波瓣提供燃料。如图20和21所示，在某些类星体中，我们可以同时看到射电和X射线的双重结构，而在另一些类星体中，只能看到射电或X射线其中之一(图22)。在一些不同寻常的情况下，我们看到了X射线的双重结构，这与先前的喷流活动相对应，但也有一些角度不同的新射电活动，这是因为反向喷射的喷流方向发生了转动，也就是产生了进动。这种现象的一个例子如图21所示。

图22　这张X射线图像，显示了横跨这个星系的双瓣结构它只能在X射线波段被探测到

许多类星体和射电星系喷流轴的稳定性，揭示了超大质量黑洞自旋的稳定性，这就像陀螺仪一样。为什么某些喷流轴会发生进动而另一些则不会，这个问题将在我们发现黑洞附近发射点处控制喷流角动量的因素是什么时得到解答。究竟是与黑洞本身的自转轴，还是由分别在第3章和第7章中提到的伦泽-蒂林或巴丁-彼得森效应所决定的吸积盘内部区域的角动量矢量有关，目前尚不清楚。我们需要更多数据才能彻底阐明已观测到的现象。但是，有一些来自更靠近我们的较小天体的线索可能表明，喷流轴的进动与吸积盘的角动量有关。

微类星体

到目前为止，我们一直讨论的类星体都是位于活动星系中心的超大质量黑洞。事实证明，还有另一类天体的行为与它们非常相似，但规模小得多。这些质量较小的黑洞可以在离我们更近的地方被观测到。实际上，它们就位于我们自己的银河系中，被称为“微类星体”。尽管大小悬殊，但我们银河系中的微类星体和其他星系中心的系外类星体一样，都是具有类似物理性质的等离子喷流源。人们认为两者都是由受引力作用落向黑洞的物质所驱动。在微类星体中，黑洞的质量与太阳相当。对于强大的系外类星体而言，其黑洞质量可能比我们的太阳的质量大1亿倍。就天体物理学家所关心的事情来说，本地事例的一个重要优势在于其质量较小，因此演化的速度要快得多。它们的演化时标是几天，而不像类星体那样要几百万年。不过，与类星体一样，从所有活动中心附近喷出的喷流都是源于事件视界之外的，而且很可能是从吸积盘的最内缘发出的。

作用于微类星体间的机制非常复杂，而且喷流的发射速度和与其相关的黑洞质量的关系也并不简单。在监测被称为天鹅座X-3的黑洞微类星体中的喷流过程时，有时会发现离开黑洞喷流等离子体的速度发生了变化。这是利用延时天文测量法得到的，就是在一段时间进行连续观测使我们能够确定等离子体喷流从黑洞附近跑出来时速度有多快。测量结果显示，某一次喷流的速度是光速的81％，而4年后则是67％。没有迹象表明喷流速度只会随着时间推移降低，自从发现这个微类星体以来，快速和慢速的喷流都已经被观测到很多次。喷流速度的变化似乎也是我们银河系中另一个著名微类星体SS433的特征，我将在下面对它进行详细介绍。这个微类星体中的喷流速度忽快忽慢，实际上，几天之内它的速度可能是光速的20％~30％之间的任意值。

对称之美

图23显示了银河系中的微类星体SS433的射电图像，它距离我们只有18 000光年。等离子体喷流的结构投影到我们的天空平面上时，会呈现出醒目的之字形或螺旋形图案。组成喷流的各个等离子体火球，正分别以某个介于光速20％~30％之间的惊人速度运动。火球运动的方向按照一个固定的周期变化。实际上，喷流的发射轴的进动方式与在皮划艇参考系下看到的运动员划桨方式大致相同，只不过这一过程的时标是6个月而不是几秒钟。显然，至少在某些类星体中(见图21)也发生了相同的情况，不过如前文所述，它们的速度慢到我们无法对发生的变化进行恰当的时间采样。

喷流在天空中呈现之字形还是螺旋形直接取决于火球的物理运动方式，以及进行观测的具体时间。喷流的一个显著特征就是它们的对称性：东侧喷流部分的物理运动与西侧喷流部分等大且反向：当一个等离子体火球速度达到光速的28％时，在反向喷流中与之对应的部分速度也是这么大；而对于以22％的光速运动的另一个等离子火球，其反向喷流中与之对应的部分速度也会和它一样。实际上，如果一个喷流看起来具有之字形结构，而另一个喷射流看上去则是完全不同的螺旋形结构，这是由于喷流等离子体始终以与光速相当的速度运动，此种情况下会发生相对论性畸变。微类星体的辐射功率相对于系外类星体而言是很小的，但是与太阳微不足道的功率相比仍然非常巨大。太阳的总光度只有4×1026瓦，还不到图23中的微类星体辐射功率的十万分之一。

图23　微型类星体SS433在射电波段呈现

喷流的发射

室女座星系团是由1000多个星系构成的，距银河系只有5000万光年。它的中心是一个被称为M87[梅西耶87的缩写，列在法国天文学家查尔斯·梅西耶(Charles Messier)制作的星表中]的巨大星系。该星系的核心是一个质量是太阳30亿倍的超大质量黑洞。从其中发出的是如图24所示的非常强的直线喷流。

图24　从M 87星系中心的超大质量黑洞，以接近光速喷出等离子体喷流

这个喷流在光学波段、射电波段和X射线波段都很容易被看到。据认为，落入物质以每年2~3倍太阳质量的吸积率，到达第6章中描述的那种吸积盘正在发挥作用的核心区。这个喷流的发射点可能在吸积盘的最内部，其从发射点向外传播的速度非常接近光速，因此我们称之为相对论性喷流。利用我在第7章中介绍过的VLBA仪器进行连续监测，可知喷流速度非常接近光速，而位于地球大气层之外的哈勃空间望远镜和钱德拉X射线卫星，都比其位于地面上时具有更高的灵敏度。在距地球5000万光年的位置上，以光速运动的物体每年会在天空中移动4毫弧秒。如果我们考虑到一弧只有一度的1/3600弧度，那么它的四千分之一听起来会是一个小到几乎无法测量的角度，但是VLBA仪器能很容易分辨这么小的间隔。VLBA已经对这个喷流底部不到其超大质量黑洞30倍史瓦西半径的范围进行了成像。

图25显示了源于M87中超大质量黑洞的相对论性喷流的等离子体射电辐射的波瓣和羽流的示例。

图25　源于M87星系中心的超大质量黑洞所发出的相对论喷流的射电辐射波瓣

为了进一步说明膨胀的波瓣与相对论性喷流有关，图26展示了一个在天空中延伸了6度的示例，并呈现出了用于观测的望远镜阵列，以便让人能够感受其尺度。依拉娜·费恩(Ilana Feain)和她的同事使用的望远镜是澳大利亚望远镜致密阵列。

图26　月亮和澳大利亚望远镜致密阵列的光学照片与半人马座A的无线电图像的合成照片

相对论性喷流从黑洞附近发射的机制目前还只是推测，还不具有普适性。不过，来自世界各地的不同团队进行的各项独立研究中，绝大多数证据表明该理论的基本细节是正确的。除了宽泛的图像以外，这些机制及其详细功能还属于推测，只是在光子不足且具有选择效应的情况下被耐心检验过。证明不属于科学，但证据属于科学。我们之所以受到阻碍，是因为即使当今已部署的最先进的成像技术，也无法区分并识别释放了大部分能量的最小区域，不过，利用功能强大的计算机进行数值模拟，就可以突破当前技术的限制。最新发表的模拟结果表明，吸积盘发出的喷流完全可以由广义相对论效应进行解释。这些模拟将组分和公理作为已知输入，允许喷流和吸积盘演化到其特性可以与最新观测结果相匹配的尺度。

那么，我们现在对宇宙中黑洞的质量有哪些了解呢？看起来它们分为两个主要的类别。首先是那些质量与恒星类似的黑洞。这些恒星质量黑洞的质量是太阳质量的3~30倍，它们来自烧光了全部燃料的恒星。

然后就是超大质量黑洞，它们能达到约100亿太阳质量。正如我们已经讨论过的，它们存在于包括我们自己的银河系在内的星系中心，并且与活跃星系和类星体的种种奇特现象有关。

我们已经讨论过物体掉入黑洞，但当一个黑洞掉入另一个黑洞时会发生什么？这不是一个抽象的问题，因为人们已经知道可能存在双黑洞。在这样的天体中，两个黑洞会互相绕转。人们认为由于发出了引力辐射，双星中的黑洞将失去能量并以螺旋形向内互相绕转。在这种螺旋运动的最后阶段，广义相对论会达到临界点，两个黑洞突然合并为具有常规事件视界的单个黑洞。在一个双星系统中，两个超大质量黑洞合并所产生的能量是惊人的，有可能超过可见宇宙中所有恒星的所有光。它的大部分能量都被注入引力波，这些时空曲率的涟漪会以光速在整个宇宙中传播。对这种波存在证据的搜寻尚在进行。人们设想，当引力波经过像长杆一样的物质时，其波长会在时空曲率的涟漪穿过时随之上下波动。如果可以使用诸如激光干涉之类的技术来测量这些微小的波长变化，就能得到一种可以探测宇宙中其他地方产生的引力波的方法。目前已经建成，以及更多还在计划中的地基和天基引力波探测器，都可能探测到来自黑洞合并的信号。实际上，引力波非常难检测，需要非常强力的能量源才有机会进行此类实验，而在这些强力源的候选名单中，黑洞并合居于首位。在撰写本文时，尚未直接检测到引力波，但实验仍在进行[1]。

自1915年爱因斯坦提出广义相对论以来，我们最好的引力论已接受了无数次考验。事实证明，与被其替代的牛顿经典理论相比，广义相对论的实验具有更好的一致性。但如果要对广义相对论在极限状况下进行检验，那么你可以期待黑洞会成为现代物理学这一基石的终极测试地。此种情况下，引力在最小的空间区域中表现得最强，因此量子效应会很重要，而这正是广义相对论可能会崩溃的地方。不过，广义相对论也可能在宇宙中的大尺度上失效。当然，目前最热门的话题是广义相对论在解释宇宙最大尺度上的加速膨胀时的完备性。讨论广义相对论的偏差，可能会与加速膨胀和暗能量有关。如果探测到源自黑洞并合的引力波，或观测结果拓展了我们对发生在这些引人入胜的物体附近的基本物理学的理解，那我们就有机会见证爱因斯坦的理论是能够经受住检验的，还是需要用某些新理论来代替的。

我们为什么研究黑洞

研究黑洞的原因有很多，第一个原因是：它开启了对物理参数空间的探索，即使是国际财团的预算也无法独立胜任这一工作。黑洞系统代表了我们所能探索的极端环境，我们能借此研究极端情况下的物理学。它们将广义相对论和量子力学结合起来，但统一尚未实现，并且仍是物理学的前沿问题。第二个原因是，试图理解黑洞现象引起了科学家和许多有思想的外行人的兴趣，提供许多人被科学所激发的途径，鼓动人们去了解我们周围宇宙的伟大之处。第三个原因也许会令人惊讶，研究黑洞给了尘世一些副产品。对黑洞的研究怎么可能改变我们的生活？答案是这种事情已经发生了。当我将这本小书的最后几句话输入笔记本电脑时，它会同时通过802.11Wi-Fi协议将我的工作备份到我大学的服务器上。这项复杂而巧妙的技术源于在射电波段寻找爆发黑洞的某个特定特征时的研究。这项研究由罗恩·埃克斯(Ron Ekers)所领导的团队完成。他们想要检验马丁·里斯(Martin Rees)(现在是皇家天文学家)提出的模型。在约翰·奥沙利文(John O'Sullivan)的带领下，来自澳大利亚心灵手巧的无线电工程师发明了一种干扰抑制算法，本来是想将它用于探测来自遥远空间的微弱信号这一棘手的工作，但他们随即意识到，这项技术还可以应用于地球上的通信传输。因此，黑洞有能力改写物理学，重新激发我们的想象力，甚至革新我们的技术。黑洞有许多副产品，它们都远远超出了其事件视界。

全书完

[1]　2016年2月11日激光干涉引力波天文台(LIGO）、处女座干涉仪(Virgo)研究团队共同发布结果：于2015年9月14日首次探测到引力波现象。